第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程.pptx

复复 合合 材材 料料 1主要参考资料主要参考资料1、现代复合材料现代复合材料-陈华辉陈华辉 邓海金邓海金 李李 明明（中国物质出版社（中国物质出版社,1998）2、复合材料概论、复合材料概论-王荣国王荣国 武卫莉武卫莉（哈尔滨工业大学出版社（哈尔滨工业大学出版社,1999）3、复合材料、复合材料-吴人洁（天津大学出版社吴人洁（天津大学出版社,2000）5、复合材料及其应用、复合材料及其应用尹洪峰尹洪峰,任耘（陕西科学技术出版社任耘（陕西科学技术出版社,2003）6、高性能复合材料学、高性能复合材料学-郝元恺郝元恺,肖加余肖加余(化学工业出版社化学工业出版社,2004)7、先进复合材料、先进复合材料-鲁鲁 云云 朱世杰朱世杰 马鸣图马鸣图 （机械工业已出版社（机械工业已出版社,2004）8、复合材料、复合材料-周曦亚（化学工业出版社周曦亚（化学工业出版社,2005）2第一章第一章第一章第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程复合材料的概念、分类及其发展历程复合材料的概念、分类及其发展历程复合材料的概念、分类及其发展历程第二章第二章第二章第二章 复合材料基本特性、应用及其研究现状复合材料基本特性、应用及其研究现状复合材料基本特性、应用及其研究现状复合材料基本特性、应用及其研究现状第三章第三章第三章第三章 复合材料的基体材料复合材料的基体材料复合材料的基体材料复合材料的基体材料第四章第四章第四章第四章 复合材料的增强材料复合材料的增强材料复合材料的增强材料复合材料的增强材料第五章第五章第五章第五章 复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺复合材料的成型工艺第六章第六章第六章第六章 功能复合材料功能复合材料功能复合材料功能复合材料第七章第七章第七章第七章 复合材料的复合原则及界面复合材料的复合原则及界面复合材料的复合原则及界面复合材料的复合原则及界面第八章第八章第八章第八章 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料第九章第九章第九章第九章 金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料目 录3第一章第一章 复合材料的概念、分类及其发展历程复合材料的概念、分类及其发展历程4材料分类：材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋各有千秋扬长避短扬长避短 克服单一材料的缺点克服单一材料的缺点 产生原来单一材料没有本身所没有的新性能产生原来单一材料没有本身所没有的新性能复合材料复合材料510000BC各种材料在各个历史时期相对重要性各种材料在各个历史时期相对重要性5000BC015001900196019801990200020102020金金铜铜铁铁钢钢合金钢合金钢高温合金高温合金高分子高分子木材木材皮肤皮肤纤维纤维动物胶动物胶橡胶橡胶电木电木尼龙尼龙PEPCPSPPPAN聚酯聚酯高模聚合物高模聚合物导电高分子导电高分子复合材料复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料石材石材陶瓷陶瓷陶器陶器玻璃玻璃水泥水泥耐火材料耐火材料熔融硅熔融硅耐湿陶瓷耐湿陶瓷韧性机械陶瓷韧性机械陶瓷36、复合材料的定义、复合材料的定义 什么是复合材料什么是复合材料(Composition Materials,Composite)?要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难要给复合材料下一个严格精确而又统一的定义是很困难的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑的。概括前人的观点，有关复合材料的定义或偏重于考虑复复复复合后材料的性能合后材料的性能合后材料的性能合后材料的性能，或偏重于考虑，或偏重于考虑复合材料的结构复合材料的结构复合材料的结构复合材料的结构 7诸如诸如（）（）（）（）复合材料是由两种或更多的组分材料结合在复合材料是由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的一起，复合后的整体性能整体性能整体性能整体性能应超过组分材料，保留了所期应超过组分材料，保留了所期望的性能望的性能(高强度、刚度、轻的重量高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望，抑制了所不期望的特性的特性(低延性低延性)。偏重于考虑偏重于考虑复合后材料的性能复合后材料的性能复合后材料的性能复合后材料的性能8（）（）（）（）复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何复合材料是多功能的材料系统，它们可提供任何单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种单一材料所无法获得的特性；它们是由两种或多种成分成分不同不同，性质不同性质不同，有时，有时形状也不同形状也不同的相容性材料，以的相容性材料，以物物物物理形式理形式理形式理形式结合而成的。结合而成的。9 FL.Matthews和和DRawlings认为，复合材料认为，复合材料是两个或两个以上是两个或两个以上组元或相组元或相组元或相组元或相组成的混合物组成的混合物组成的混合物组成的混合物，并应满足下面，并应满足下面三个条件：三个条件：(1)组元含量大于组元含量大于5；(2)复合材料的性能显著不同于各组元的性能，复合材料的性能显著不同于各组元的性能，(3)通过各种方法混合而成。通过各种方法混合而成。10 按这按这Matthews和和Rawlings给出的定义，钢铁及其合给出的定义，钢铁及其合金不应属于复合材料，如金不应属于复合材料，如CoCrMoSi合金不属于合金不属于复合材料，因为这种合金经过复合材料，因为这种合金经过熔化和凝固熔化和凝固熔化和凝固熔化和凝固过程；而仅有过程；而仅有像像SiC颗粒强化的颗粒强化的Al合金这种混合而成的材料才属于复合合金这种混合而成的材料才属于复合材料。因此有人认为可将复合材料划分为材料。因此有人认为可将复合材料划分为广义复合材料广义复合材料和和狭义复合材料狭义复合材料。11从广义上讲，复合材料是由从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同两种或两种以上不同化学性质化学性质化学性质化学性质的组分的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由由两种或两种以上不同两种或两种以上不同相态相态相态相态的组分的组分所组成的材料。所组成的材料。复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。12上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指上述复合材料的定义较易被普遍接受，它不仅明确指出复合材料是出复合材料是“通过人工复合的通过人工复合的通过人工复合的通过人工复合的”和和“有特殊性能的有特殊性能的有特殊性能的有特殊性能的”材材料，而且还指明了复合材料的料，而且还指明了复合材料的组分、结构特点组分、结构特点组分、结构特点组分、结构特点及及与其他种与其他种与其他种与其他种材料材料材料材料（如简单混合物、化合物、合金）（如简单混合物、化合物、合金）的特征区别的特征区别的特征区别的特征区别。根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括根据上述复合材料的定义，复合材料应不包括自然形自然形成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和成的具有某些复合材料形态的物质、化合物、单相合金和多相合金。多相合金。13以下面五点概括了以下面五点概括了复合材料的特点复合材料的特点复合材料的特点复合材料的特点：1、复合材料的、复合材料的组分和相对含量组分和相对含量是由是由人工选择和设计人工选择和设计的；的；2、复合材料是以、复合材料是以人工制造人工制造而非天然形成的（区别于具有而非天然形成的（区别于具有某些复合材料形态特征的天然物质）；某些复合材料形态特征的天然物质）；143、组成复合材料的某些组分在复合后仍然、组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有保持其固有的物理和化学性质的物理和化学性质（区别于化合物和合金）；（区别于化合物和合金）；4、复合材料的、复合材料的性能性能取决于取决于各组成相性能的协同各组成相性能的协同。复合。复合材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个材料具有新的、独特的和可用的性能，这种性能是单个组分材料性能所不及或不同的；组分材料性能所不及或不同的；5、复合材料是各组分之间、复合材料是各组分之间被明显界面区分被明显界面区分的多相材料。的多相材料。15国际标准化组织国际标准化组织国际标准化组织国际标准化组织：由两种以上：由两种以上在物理和化学上在物理和化学上不同的物质组不同的物质组合起来而得到的一种合起来而得到的一种多相固体材料多相固体材料。材料科学技术百科全书材料科学技术百科全书材料科学技术百科全书材料科学技术百科全书中关于复合材料的定义如下：中关于复合材料的定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料料通过复合工艺通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。而获得更优越的性能，与一般材料的简便混合有本质区别。16材料大辞典材料大辞典材料大辞典材料大辞典中关于复合材料的定义为：中关于复合材料的定义为：复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机复合材料是根据应用的需要进行设计，把两种以上的有机聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，聚合物材料，或无机非金属材料，或金属材料组合在一起，使之使之互补性能优势互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一般由基，从而制成的一类新型材料。一般由基体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相体组元与增强材料或功能体组元所组成，因此亦属于多相材料范畴。材料范畴。17根据根据材料大辞典材料大辞典材料大辞典材料大辞典中关于复合材料的定义可以看出中关于复合材料的定义可以看出,复合材料具有两个鲜明的特点复合材料具有两个鲜明的特点:、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组、复合材料不仅能保持原组分的部分优点，而且产生原组分所不具备的分所不具备的新性能新性能新性能新性能。、复合材料具有、复合材料具有可设计性可设计性可设计性可设计性。由于各种原材料都具有各自的。由于各种原材料都具有各自的优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所示的结果。优点和缺点，所以在组合时可能出现如下图所示的结果。18因此复合材料必须通过对因此复合材料必须通过对原材料的选择原材料的选择，各组分分各组分分布的设计布的设计和和工艺条件的保证工艺条件的保证等，以使原组分材料的优点等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的互相补充，同时利用复合材料的复合效应复合效应复合效应复合效应使之出现新的使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。性能，最大限度地发挥优势。19 综上所述，复合材料应具有以下三个特点：综上所述，复合材料应具有以下三个特点：(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通通过宏观或微观复合过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着形成的一种新型材料，组元之间存在着明明显的界面显的界面。(2)复合材料中各组元不但复合材料中各组元不但保持各自的固有特性保持各自的固有特性而且可而且可最最大限度发挥各种材料组元的特性大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。具备的优良持殊性能。20(3)复合材料具有复合材料具有可设计性可设计性可设计性可设计性。复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体基体基体基体；而；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为强，故常称为增强体增强体增强体增强体(也称为增强材料、增强相等也称为增强材料、增强相等)。在大多数情况下，分散相较基体在大多数情况下，分散相较基体硬硬，强度和刚度强度和刚度较基体较基体大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散大。分散相可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体与增强体之间存在着界面。的填料。在基体与增强体之间存在着界面。21 通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：通过对各种定义、解释加以总结，复合材料应包括：组元是人们根据材料设计的基本原则组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择，至有意识地选择，至少包括两种少包括两种物理和力学性能不同的物理和力学性能不同的独立组元独立组元，其中一组元的，其中一组元的体积分数一般不低于体积分数一般不低于20，第二组元通常为纤维、晶须或颗，第二组元通常为纤维、晶须或颗粒；粒；复合材料是复合材料是人工制造人工制造的，而非天然形成的。的，而非天然形成的。复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应优于优于独立组元的性质独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。，特别是强度、刚度、韧性和高温性能。22 复合材料在世界各国还没有统一的名称和复合材料在世界各国还没有统一的名称和命名方法，比较共同的趋势是根据命名方法，比较共同的趋势是根据增强体和基增强体和基增强体和基增强体和基体的名称体的名称体的名称体的名称来命名，通常有以下三种情况：来命名，通常有以下三种情况：2、复合材料的命名、复合材料的命名23（1）强调基体时强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。（2）强调增强体时强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等。复合材料等。24（3）基体材料基体材料名称与名称与增强体材料增强体材料并用。这种命名方法并用。这种命名方法常用来表示某一种常用来表示某一种具体的复合材料具体的复合材料，习惯上把，习惯上把增强体材增强体材料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面料的名称放在前面，基体材料的名称放在后面。25例如：例如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或，或简称为简称为“玻璃纤维玻璃纤维/环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料或或玻璃纤维玻璃纤维/环氧环氧”。而我国则常把这类复合材料通称为。而我国则常把这类复合材料通称为“玻璃钢玻璃钢”。碳碳纤维和金属基体构成的复合材料叫纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料金属基复合材料”，也可写为，也可写为“碳金属复合材料碳金属复合材料”。碳纤维和碳构成的。碳纤维和碳构成的复合材料叫复合材料叫“碳碳复合材料碳碳复合材料”。26 国外还常用国外还常用英文编号英文编号英文编号英文编号来表示，如来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材料，表示金属基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增强塑料，而玻璃纤维表示纤维增强塑料，而玻璃纤维/环环氧则表示为氧则表示为GF/Epoxy,或或G/Ep(G-Ep)27、复合材料的分类复合材料的分类 随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材随着材料品种不断增加，人们为了更好地研究和使用材料，需要对材料进行分类。料，需要对材料进行分类。材料的分类材料的分类材料的分类材料的分类，历史上有许多方法：，历史上有许多方法：28（）（）按材料的按材料的化学性质化学性质分类分类，有金属材料、非金属材料之分。，有金属材料、非金属材料之分。（）（）按按物理性质物理性质分类分类，有绝缘材料、磁性材料、远光材料、，有绝缘材料、磁性材料、远光材料、半导体材料、导电材料等。半导体材料、导电材料等。（）（）按按用途用途分类分类，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装，有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。材料等。材料的分类材料的分类材料的分类材料的分类29复合材料的复合材料的复合材料的复合材料的分类方法也很多，常见的分类方法也很多，常见的分类方法分类方法分类方法分类方法有以下几种：有以下几种：一、按一、按增强材料形态增强材料形态分为以下三类分为以下三类1、纤维纤维增强复合材料：增强复合材料：a.连续连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；位于复合材料的边界处；b.非连续非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；体材料中；302、颗粒颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3、板状板状增强体、编织复合材料：以增强体、编织复合材料：以平面二维平面二维或或立体三维物立体三维物为增强材料与基体复合而成。为增强材料与基体复合而成。其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体 31复合材料结构示意图复合材料结构示意图a)层叠复合层叠复合 b)连续纤维复合连续纤维复合 c)细粒复合细粒复合 d)短切纤维复合短切纤维复合32纤维纤维增强复合材料增强复合材料纤维增强复合材料分为以下五种：纤维增强复合材料分为以下五种：玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维复合材料；复合材料；碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维复合材料；复合材料；有机纤维有机纤维有机纤维有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、聚烯烃纤维等）复合材料；纤维等）复合材料；金属纤维金属纤维金属纤维金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料；陶瓷纤维陶瓷纤维陶瓷纤维陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。材料。33混杂混杂复合材料：复合材料：两种或两种以上增强体两种或两种以上增强体同一种基体制成的复合材料。可以看成是两种同一种基体制成的复合材料。可以看成是两种或多种或多种单一纤维或颗粒复合材料单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，的相互复合，即复合材料的即复合材料的“复合材料复合材料”。34 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料用玻璃纤维增强用玻璃纤维增强工程塑料工程塑料工程塑料工程塑料的复合材料，即的复合材料，即玻璃钢玻璃钢玻璃钢玻璃钢。玻璃钢分为两种，即玻璃钢分为两种，即热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢和和热固性玻璃钢热固性玻璃钢热固性玻璃钢热固性玻璃钢。35、热塑性玻璃钢、热塑性玻璃钢 热塑性玻璃钢是以热塑性玻璃钢是以玻璃纤维玻璃纤维为增强剂和以为增强剂和以热塑性树脂热塑性树脂热塑性树脂热塑性树脂为为粘结剂制成的复合材料。粘结剂制成的复合材料。、热固性玻璃钢、热固性玻璃钢 热固性玻璃钢是以热固性玻璃钢是以玻璃纤维玻璃纤维为增强剂和以为增强剂和以热固性树脂热固性树脂热固性树脂热固性树脂为为粘结剂制成的复合材料。粘结剂制成的复合材料。36 碳纤维复合材料碳纤维复合材料、碳纤维碳纤维复合材料：作基体的复合材料：作基体的树脂树脂，目前应用最多的是，目前应用最多的是环环氧树脂氧树脂、酚醛树脂酚醛树脂和和聚四氟乙烯聚四氟乙烯。、碳纤维碳碳纤维碳复合材料：用复合材料：用有机基体有机基体有机基体有机基体浸渍纤维坯块，固化后浸渍纤维坯块，固化后再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。再进行热解，或纤维坯型经化学气相沉积，直接填入碳。、碳纤维金属碳纤维金属复合材料：主要用于熔点较低的金属或合金，复合材料：主要用于熔点较低的金属或合金，如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材料。如在碳纤维表面镀金属，制成了碳纤维金属复合材料。、碳纤维陶瓷碳纤维陶瓷复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料：我国研制了一种碳纤维石英玻璃复合材料。复合材料。37硼纤维复合材料硼纤维复合材料硼纤维硼纤维硼纤维硼纤维是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。是由硼气相沉积在钨丝上来制取的。、硼纤维、硼纤维树脂树脂复合材料：基体主要为复合材料：基体主要为环氧树脂环氧树脂环氧树脂环氧树脂、聚苯并聚苯并聚苯并聚苯并咪唑咪唑咪唑咪唑和和聚酰亚胺树脂聚酰亚胺树脂聚酰亚胺树脂聚酰亚胺树脂等。等。、硼纤维、硼纤维金属金属复合材料：常用的基体为复合材料：常用的基体为铝、镁及其合金铝、镁及其合金铝、镁及其合金铝、镁及其合金，还有还有钛及其合金钛及其合金钛及其合金钛及其合金等。等。38金属纤维复合材料金属纤维复合材料 作增强纤维的金属主要是作增强纤维的金属主要是强度较高的高熔点金属强度较高的高熔点金属强度较高的高熔点金属强度较高的高熔点金属钨钨、钼钼、钢钢、不锈钢不锈钢、钛钛、铍铍等，它们能被基体金属等，它们能被基体金属润湿润湿，也，也能能增强增强陶瓷。陶瓷。、金属纤维金属纤维金属金属复合材料复合材料：研究较多的增强剂为：研究较多的增强剂为钨钼丝钨钼丝钨钼丝钨钼丝，基体为基体为镍合金镍合金镍合金镍合金和和钛合金钛合金钛合金钛合金。、金属纤维金属纤维陶瓷陶瓷复合材料复合材料：利用金属纤维的：利用金属纤维的韧性韧性韧性韧性和和抗拉抗拉抗拉抗拉能力能力能力能力改善陶瓷的改善陶瓷的脆性脆性脆性脆性。39二、按材料作用分两类二、按材料作用分两类 结构结构复合材料；复合材料；功能功能复合材料。复合材料。40 结构复合材料结构复合材料主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是主要用于制造受力构件；结构复合材料主要是作为作为承力结构承力结构承力结构承力结构使用的复合材料，它基本上是由使用的复合材料，它基本上是由能承能承受载荷的增强体受载荷的增强体组元与组元与能联接增强体能联接增强体成为整体承载成为整体承载同时又起同时又起分配与传递载荷作用分配与传递载荷作用的基体组元构成。的基体组元构成。41结构结构复合材料复合材料又可按又可按基体材料类型基体材料类型基体材料类型基体材料类型和和增强体增强体增强体增强体材料类型材料类型材料类型材料类型来分类见下图所示：来分类见下图所示：42聚合物基聚合物基聚合物基聚合物基复合材料复合材料金属基金属基金属基金属基复合材料复合材料陶瓷基陶瓷基陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料水泥基水泥基水泥基水泥基复合材料复合材料碳基碳基碳基碳基复合材料复合材料结构复合材料结构复合材料热固热固热固热固性树脂基性树脂基热塑热塑热塑热塑性树脂基性树脂基橡胶橡胶橡胶橡胶基基高温陶瓷高温陶瓷高温陶瓷高温陶瓷基基玻璃基玻璃基玻璃基玻璃基玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷基基轻金属轻金属轻金属轻金属基基高熔点金属高熔点金属高熔点金属高熔点金属基基金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物基基、按按基体类型基体类型基体类型基体类型分类分类43B、按按增强体类型增强体类型增强体类型增强体类型分类分类结构复合材料结构复合材料叠层式叠层式叠层式叠层式复合材料复合材料片材增强片材增强片材增强片材增强复合材料复合材料颗粒增强颗粒增强颗粒增强颗粒增强复合材料复合材料纤维增强纤维增强纤维增强纤维增强复合材料复合材料人工人工人工人工晶片晶片晶片晶片天然天然天然天然片状物片状物片状物片状物微米微米微米微米颗粒颗粒颗粒颗粒纳米纳米纳米纳米颗粒颗粒颗粒颗粒不连续纤维不连续纤维不连续纤维不连续纤维复合材料复合材料复合材料复合材料连续纤维增强连续纤维增强连续纤维增强连续纤维增强复合材料复合材料复合材料复合材料晶须晶须晶须晶须增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料短切纤维短切纤维短切纤维短切纤维增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料单向纤维单向纤维单向纤维单向纤维增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料二维织物二维织物二维织物二维织物增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料三维织物三维织物三维织物三维织物增强复合材料增强复合材料增强复合材料增强复合材料44结构复合材料的特点结构复合材料的特点可根据材料在使用中受力的要求进行可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材组元选材组元选材组元选材和和增强体排布设计增强体排布设计增强体排布设计增强体排布设计，从而充分发挥各组元的效能。，从而充分发挥各组元的效能。45 功能复合材料功能复合材料指具备各种指具备各种特殊物理与化学性能特殊物理与化学性能特殊物理与化学性能特殊物理与化学性能的材料。的材料。例如：例如：声声、光光、电电、磁磁、热热、耐腐蚀耐腐蚀、零膨胀零膨胀、阻尼阻尼、摩擦摩擦、屏蔽屏蔽或或换能换能等。等。46功能复合材料中的功能复合材料中的增强体增强体增强体增强体又可称为又可称为功能体组元功能体组元功能体组元功能体组元，它分布于它分布于基体组元基体组元基体组元基体组元中。中。功能复合材料中的功能复合材料中的基体基体基体基体不仅起到不仅起到构成整体构成整体构成整体构成整体的作用，的作用，而且能够产生而且能够产生协同或加强功能协同或加强功能协同或加强功能协同或加强功能的作用的作用。47除了上面的各种各样的复合材料以外，还有除了上面的各种各样的复合材料以外，还有同质复同质复同质复同质复合材料合材料合材料合材料和和异质复合材料异质复合材料异质复合材料异质复合材料。同质复合材料同质复合材料同质复合材料同质复合材料（增强材料增强材料和和基体材料基体材料属于属于同种物同种物质质，如碳，如碳/碳复合材料）碳复合材料）异质复合材料异质复合材料异质复合材料异质复合材料（前面提及的复合材料多属此类）。（前面提及的复合材料多属此类）。48复合材料目前状况复合材料目前状况（）玻璃钢和树脂基复合材料（）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟非常成熟 广泛的应用广泛的应用（）金属基复合材料（）金属基复合材料 开发阶段开发阶段 某些结构件的关键部位某些结构件的关键部位（）陶瓷基复合材料及功能复合材料等（）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决有不少科学技术问题有待解决49、复合材料发展概况复合材料发展概况复合材料复合材料发展简史：发展简史：发展简史：发展简史：学术界开始使用学术界开始使用“复合材料复合材料”（composite materials）一词大约是在一词大约是在20世纪世纪40年代，当时出现了年代，当时出现了玻璃纤维增强不玻璃纤维增强不饱和聚酯饱和聚酯，开辟了，开辟了现代复合材料现代复合材料现代复合材料现代复合材料的新纪元。的新纪元。50从从20世纪世纪60年代开始，开发出多种年代开始，开发出多种高性能纤维高性能纤维高性能纤维高性能纤维。20世纪世纪80年代以后，由于人们丰富了年代以后，由于人们丰富了设计设计、制造制造和和测试测试等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料基体的材料的使用和改进，使基体的材料的使用和改进，使现代复合材料现代复合材料现代复合材料现代复合材料的发展的发展达到了更高的水平，即进入达到了更高的水平，即进入高性能复合材料高性能复合材料高性能复合材料高性能复合材料的发展的发展阶段。阶段。51复合材料的复合材料的整个发展过程整个发展过程整个发展过程整个发展过程可表示为：可表示为：古代古代近代近代先进复合材料先进复合材料52天然复合材料天然复合材料自然界中存在许许多多的天然复合材料。例自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，如，树木树木树木树木和和竹子竹子竹子竹子是是纤维素纤维素纤维素纤维素和和木质素木质素木质素木质素的复合体；的复合体；动物的骨骼动物的骨骼动物的骨骼动物的骨骼则由则由无机磷酸盐无机磷酸盐无机磷酸盐无机磷酸盐和和蛋白质胶原蛋白质胶原蛋白质胶原蛋白质胶原复复合而成。合而成。53人类很早就人类很早就接触和使用接触和使用接触和使用接触和使用各种天然复合材料，并各种天然复合材料，并仿效仿效仿效仿效自然自然界制作各种各样的复合材料。例如界制作各种各样的复合材料。例如陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今；陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今；漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。54近代近代，复合材料的发展始于，复合材料的发展始于20世纪世纪40年代，年代，第二次世界大战中，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂复合复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。50年代得到了迅速发展。年代得到了迅速发展。我国我国从从1958年开始发展复合材料年开始发展复合材料55现代复合材料现代复合材料现代复合材料现代复合材料的制作成功则要从的制作成功则要从1942年，第年，第二次世界大战中，二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂复合材复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。56材料科学家们认为，就世界范围而论，从材料科学家们认为，就世界范围而论，从1940年到年到1960年这年这20年间，是玻璃纤维增强塑料时代，年间，是玻璃纤维增强塑料时代，可以称为可以称为复合材料发展的第一代复合材料发展的第一代复合材料发展的第一代复合材料发展的第一代。第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纤维增强塑料；年，玻璃纤维增强塑料；571965年英国科学家研制出碳纤维；年英国科学家研制出碳纤维；1971年美国杜邦公司开发出年美国杜邦公司开发出Kevler-49（开芙拉（开芙拉-49）；1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及碳纤维增强、及Kevler纤维增纤维增强环氧树脂复合材料强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。已用于飞机、火箭的主承力件上。这一时期被称为这一时期被称为复合材料发展的第二代。复合材料发展的第二代。复合材料发展的第二代。复合材料发展的第二代。第二代：第二代：1960年到年到1980年，先进复合材料的发展时期年，先进复合材料的发展时期581980年到年到1990年间，是年间，是纤维增强金属基复合纤维增强金属基复合纤维增强金属基复合纤维增强金属基复合材料材料材料材料的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广泛，这一时期是泛，这一时期是复合材料发展的第三代复合材料发展的第三代复合材料发展的第三代复合材料发展的第三代。591990年以后则被认为是年以后则被认为是复合材料发展的第四代复合材料发展的第四代复合材料发展的第四代复合材料发展的第四代，主要发，主要发展展多功能复合材料多功能复合材料多功能复合材料多功能复合材料，如，如机敏（智能）复合材料机敏（智能）复合材料机敏（智能）复合材料机敏（智能）复合材料和和梯度功能材梯度功能材梯度功能材梯度功能材料等料等料等料等。随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在导随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造船、弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都得到应建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都得到应用。用。60 纵观复合材料的发展过程，可以看到：纵观复合材料的发展过程，可以看到：早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产量大，使用面广，可称之为量大，使用面广，可称之为常用复合材料常用复合材料常用复合材料常用复合材料。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的高的先进复合材料先进复合材料先进复合材料先进复合材料。61